城市規劃中建筑日照分析應用研究

曲秀梅

（煙臺市牟平區住房和城鄉建設局,山東 煙臺 264100）

現代城市的發展,使得大量的人口向城鎮集聚,城區有限的土地資源促使人類建造更高更大的建筑物,以滿足人類對生存環境的改善需求和承載更多的人口居住,同時也為了滿足集約化地使用土地、充分利用寶貴的土地資源[1]?，F代建筑工程力學理論的發展、新型建筑材料的研發以及先進建筑制造裝備的應用,加速了建筑工程的發展,建筑的體型和投資額度日益增加、建筑造型和建筑形式日益復雜、建筑技術和建筑高度也不斷提升[2]。在資本的裹挾下,為最大化地獲取土地開發收益,建筑的容積率和建筑的樓間距也不斷縮小以提高土地的利用率,這就導致了建筑日照時長不足,影響了建筑的使用品質,光照不足也會影響居住者的身心健康,比如局促黑暗的居住環境容易使人產生失眠和精神紊亂等不良反應,而陽光充足的居住環境使人產生愉悅舒適的感受[3]。由于“日照權”產生的社會矛盾事件也逐步增多,因此受到城市規劃者和建筑研究人員的關注和研究。

1 城市規劃中建筑日照分析基本原理

在城市規劃中,為了分析建筑物的受光照時間,就應對建筑的日照原理進行分析。建筑日照分析的基礎是太陽光隨著地球繞太陽公轉的變化而呈現出規律性的變化[4]。由于太陽與地球之間的距離約1.5×108公里,遠大于地球的直徑,因而假設太陽為點光源的情況下,光源視為無限遠,光線經過長距離的傳播達到地球時,可以認為是平行光線,導致地球在自轉一周后（1d）建筑受到的光照角度和光照強度是不同的,另外建筑物受光照的影響也與其所處的緯度、海拔高度以及地球公眾位置有關。

在建筑物日照分析中,最為重要求解參數就是太陽高度角和方位角。太陽高度角是指地球某一時間內,太陽平行光線照射到地平線（假設為水平線）上,兩者之間的夾角,如公式（1）所示；太陽方位角是指地球某一時間內,太陽平行光線照射到地平線（假設為水平線）上,太陽光線投影與正南方向之間的夾角,規定以正南方向為0°,順時針向西旋轉為正值,逆時針向東旋轉為負值,太陽方位角計算如公式（2）所示[5]。

式中,Hs 為太陽的高度角,其變化區間為0°～90°；As為太陽的方位角,其變化區間為-180°～180°；δ 為太陽的赤道緯度角,可以按照 δ=23.40°×（N-80.25）×（1-N/9500）計算,N 為從1 月1 日至計算日的總天數；φ 為建筑物所處的緯度；τ 為太陽所在照射的地球經度平面與本初子午線的夾角。

在建筑日照計算中,按照不同假設原理,發展好處了不同高度日照分析方法,比如棒影日照圖法、單點分析方法、平面分析方法等[6]。本文針對這些方法的計算原理進行研究。

棒影日照圖法是傳統的城市規劃日照分析方法,它利用的是垂直立棒棒高H 與太陽照射的棒影L 之間關系,將其與建筑規劃圖相互疊加,由此求解公式（1）和公式（2）,棒影L 和太陽方位角Hs、棒高H 的關系如公式（3）所示,棒影L 與正北方夾角A 與太陽方位角As 的相互關系如公式（4）所示,其計算原理如圖1 所示。這種計算方法本質上為幾何圖形法,繪制復雜,且依賴操作人員的熟練程度,且計算精度,導致分析計算結果與實際往往存在不同程度的偏差,在計算機設備發展還不完備的建筑規劃時代應用較多,但在數字化和智能化的今天應用較少[7]。

圖1 城市規劃中建筑日照分析棒影日照圖法原理

單點分析方法在建筑日照分析中具有較好的計算精度、可靠性和穩健性,它的基本原理通過連接被觀測點與太陽在一天時間內的運動軌跡曲線的連線,形成日照圓錐曲線,如圖2 所示,采用坐標法求解日照圓錐曲線的表達式如公式（5）所示,邊界約束為建筑為與圓錐曲面的重復陰影,由此可以求得太陽時角如公式（6）所示,最后可以計算得到太陽高度角和太陽方位角,計算流程如圖3 所示。

圖2 城市規劃中建筑日照分析單點分析方法原理

圖3 城市規劃中建筑日照分析單點分析計算流程

式中,S 為日照圓錐曲線的母線長度,Ω 為太陽時角。

平面分析方法是在單點分析方法的基礎上發展而來,它通過組合多個單點分析將平面進行網格化,每一個網格點都是被觀測點,可以依據單點分析的原理進行日照圓錐曲線繪制和求解太陽高度角和太陽方位角。由于平面網格法存在網格劃分數目巨大等問題,因此在計算過程中對于不在日照范圍內的網格點進行剔除,以提高計算效率。在太陽光照的過程中,建筑物造型和體積大小會影響其照射范圍,建筑物周圍存在一定區域的終日陰影區,如圖4 所示,這些區域的網格點的日照時間可以直接確定為零,在計算時也可以進行剔除,以減少計算工作量。基于平面分析方法的城市規劃建筑日照分析流程如圖5 所示。

圖4 城市規劃中建筑日照分析平面分析方法原理

圖5 城市規劃中建筑日照分析平面分析方法計算流程

2 日照約束條件下的城市規劃建筑設計

在城市規劃建筑設計中,為城市建筑物提供良好的建筑光照環境不僅是人本思想的體現,也是建筑設計技術的日臻成熟。基于前文的日照分析,可以對建筑空間內的光照條件進行分析,用于宏觀層面的整體規劃布局、到中觀的建筑單體設計,再到微觀的建筑采光細部設計。

在日照約束條件下,人們對于人本思想的生態建筑設計提出了更高的要求。其一,對于建筑能源的消耗要求更少,以節約資源,達到綠色健康建筑的目的；其二,對健康居住環境的要求提高,健康宜居的生活環境是美好生活的體現,也是高品質生態住在的基本要求；其三,建筑與人、環境的融合,達到和諧共生的社會和自然形態。因此,通過有效的光照分析能夠為生態建筑設計光照需求。

在日照約束條件下,城市社區規劃也呈現多樣化的需求,對建筑物光照的影響因素也具有不確定性。在城市空間規劃、城市天際設計中,建筑的結構和形態往往多變,城市住宅社區也發展出了多種多樣的建筑生態,為城市面貌提供了張力,形成了各自魅力的風貌。在社區規劃中,由于建筑設計、資金投入、生活品質需求等因素的應縣個,往往在一個社區中,存在高層建筑、多層建筑和地層建筑,建筑的形態靈活多變,高低錯落,這就給建筑的日照時間造成了諸多不確定的因素,在計算日照間距、最小樓間距時,需要考慮建筑形態、日照環境以及社區規劃的影響。

在日照約束條件下,城市開發對充足日照帶來的投資回報需求加大。在我國,光熱分布存在地區和季節差異性,南方熱帶、溫帶地區的光熱與北方寒帶、亞寒帶的光熱存在明顯不同,即使在同一地方的建筑物,冬季與夏季之間的光熱量也不同。在土地開發時,由于城市土體面積的限制,一方面為了提高投資回報,對城市社區建筑物的規劃進行容積率降低,提高建筑物的高度和層數,另一方面人們對建筑居住環境的光熱需求加大,為了享受充足的陽光,光照良好的樓層或者容積率低的社區往往更受購房者的歡迎,也給土地開發更大的匯報。因此,在城市土地開發中,對于建筑日照分析與土體利用率分析之間應尋求一個平衡點。

3 日照約束條件下城市規劃建筑設計實例分析

山東省煙臺市某房地產建設工程一期位于202-DC-A98 地塊,位于城區東北角區域核心商圈范圍,附近已有配套公用設施,交通便利。項目總投資95000 萬元,項目建設用地約93.6畝, 總建筑面積約241353.70m2,其中地上約174487.20m2, 地 下 約66866.49m2,主要建設14 棟26-42 層單元高層住宅建筑、一棟三層幼兒園及四棟底商,居民戶數1372 戶,居住人數3582 人,容積率2.8,建筑密度19%,綠地率30%,車位配比1:1.1,涵蓋高層、復式、第四代住宅、九班制幼兒園、商業等多種業態。在設計取值中,住宅建筑的單層高為3.2m,總建筑高度變化范圍為83m～135m,鋼筋混凝土等級為C30 混凝土,鋼筋材質為HRB335。

建筑日照分析時,確定項目的經度為37.463822,緯度為121.447935,以2021 年1 月20 日（大寒日）為計算基準日,其有效時間帶的分布為早上8:00 至下午16:00,確定1.5 倍建筑物高度的扇形面積范圍為光照陰影區域,陰影半徑為150m。建筑設計滿窗日照不小于3h,以26 層高的10#為分析對象,建筑層高2.90m,其建筑光照時間受前方42 層高的36#影響,主要影響樓層為10 層以下,因此,經過光照分析,計算36#樓建設前后10#樓10 層以下的光照時間,結果如表1 所示。

表1 基于日照分析的建筑物光照時間計算結果

從表中可以看出,10#樓10 層以下的建筑物光照受36#樓建設的影響程度不一,在建筑物修建前,建筑物的光照時間均大于3h,最大值為7.64h,最小值為4.17h；36#樓修建以后,10#樓建筑物的光照時間小于3h,最大值為2.87h,最小值為1.02h,光照時間差3 最大值為5.48h,最小值為1.59h。因此,對于規劃社區的建筑物日照時長不足,應調整建筑物的間距或者降低36#樓層以提供充足的日照時間。

4 結論

現代建筑工程力學理論的發展、新型建筑材料的研發以及先進建筑制造裝備的應用,加速了建筑工程的發展,為最大化地獲取土地開發收益,建筑的容積率和建筑的樓間距也不斷縮小以提高土地的利用率,這就導致了建筑日照時長不足,影響了建筑的使用品質。本文以以山東省煙臺市某房地產建設工程一期為研究對象,分析了城市規劃中太陽高度角和方位角的計算方法,研究了日照分析對生態建筑、社區規劃和土地開發的影響,并結合實例將日照分析應用于建筑的日照時長計算,結果表明后建樓棟對先建樓棟存在光照影響,使得日照時長不滿足要求,提出了提高建筑樓間距和降低樓層的解決方案。